基于ANSYS的液压机工作台的轻量化设计及改进.pdf

2 0 1 0年 3月 第 3 8卷 第6期 机床与液压 MACHI NE T O0L ＆ HYDRAUL I C S Ma r ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 0 4 基于 A N S Y S的液压机工作台的轻量化设计及改进 方明刚，赵韩，曹文钢 ，董迎晖 合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 2 3 0 0 0 9 摘要建立基于 A N S Y S的某液压机工作台的有限元模型，模拟工作台工作时的实际工况对其进行应力、变形分析，并 在此分析基础上对工作台上板进行轻量化；同时运用拓扑优化的方法对工作台结构作进一步改进，从而在满足设计要求的 基础上有效地减轻工作台的质量 ，改进工作台的结构形状，该研究工作为以后工作台的设计提供依据。 关键词液压机工作台；轻量化设计；改进；拓扑优化 中图分类号 T G 3 1 5 ． 4 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 6一O O 9 4 Th e Li g ht we i g ht De s i g n a n d I mpr o v e me n t o f a Hy dr a u l i c Pr e s s ’ S W o r kb e nc h Ba s e d o n ANS YS F ANG Mi n g g a n g， Z HAO Ha n， CAO W e n g a n g， DONG Yi n g h u i S c h o o l o f M a c h i n e r y a n d A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g ，H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，H e f e i A n h u i 2 3 0 0 0 9 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e fi n i t e e l e me n t mo d e l o f a h y d r a u l i c p r e s s ’ S w o r k b e n c h w a s e s t a b l i s h e d b a s e d o n A NS YS s o f t w a r e ．Th e s t r e s s a n d d i s t o r t i o n o f t h e w o r k b e n c h w e r e a n a l y z e d b y s i mu l a t i n g t h e a c t u a l w o r k i n g c o n d i t i o n s ．T h e l i g h t w e i g h t d e s i g n o f u p p e r b o a r d wa s r e a l i z e d b a s e d o n t h e a n a l y s i s r e s u l t s ．Th e l i g h t e n i n g o f t h e we i g h t a n d t h e i mp r o v e me n t o f t h e s t r u c t u r e w e r e a c h i e v e d e ff e c t i v e l y w h i c h s a t i s fi e d t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s b y f u r t h e r i mp r o v i n g t h e s t r u c t u r e w i t h t h e me t h o d o f t o p o l o g y o p t i mi z a t i o n ． T h e r e s e a r c h p r o v i d e s r a t i o n al g u i d a n c e a n d p r o o f s f o r t h e d e s i g n o f w o r k b e n c h i n t h e f u t u r e ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c p r e s s ’ S wo r k b e n c h； L i g h twe i g h t d e s i g n ； I mp r o v e me n t ；T o p o l o g y o p t i mi z a t i o n 现代工业生产中，冲压、锻造等各种塑性成形方 法的实现，液压机都是必不可少的设备⋯。然而，我 国现今液压机主体结构的设计更多采用的仍然是传统 材料力学简化计算与经验设计相结合的方法 。其存 在诸多弊端，如设计周期长 、设计准确性不易保证、 结构组件冗余 、用材质量大等，从而致使产品设计制 造成本过高，削弱了企业的竞争力。于是，人们一直 努力探索更加先进的液压机本体设计方法。目前，国 内对液压机本体结构的设计和研究正逐渐从主要依靠 经验设计发展到采用 C A D ／ C A E等现代设计方法，在 大型液压 机模 块 化 快 速设 计 的 理论 、方 法及 C A D ／ C A P W C A M等方 面进 行 了一 定 的探 索和 研究 ，但 仍 未像汽车或其他领域应用那样广泛和成熟 ，所以液 压机本体结构的研究仍是近些年的重要研究领域。 液压机工作 台作为液压机本体 的一个重 要部 件，也是人们进行液压机本体结构研究的一项重要 内容。作者采用有限元分析的方法，对工作台的应 力和变形等进行 分析 ，进 而进行 轻量 化 ，同时采 用 拓扑优化的方法，实现了工作 台结构 的进一 步改 进，有效减轻了其质量 ，较好的实现了工作台的优 化设 计 。 1 工作台有限元分析 传统设计方法中，将工作台简化为线弹性范畴内 的薄板小挠度弯曲问题进行处理 。由于工作台实际 结构 的复杂性 ，这种简化无疑存在很 大不足 ，因而考 虑采用现今广泛运用 的有 限元方法进行分析 。 考虑到有限元分析的实际需要，对工作台的螺纹 孔 、移送 机构安装结构 、吊运结构 、定位结构以及工 作台上板顶出孑 L 等结构作必要简化处理。同时考虑简 化之后工作台结构的对称性，选取 1 ／ 4 进行分析。采 用 A N S Y S提供 的 8结点 S O L I D 4 5三维实体单元类 型 ，材料 为 Q 2 3 5 ，密度 P7 ． 81 0 k g ／ m ，弹性模 量 E 2 ． 01 0 ”P a ，泊松 比 t ， 0 ． 3 。利用。 A N S Y S提 供的智能网格划分工具进行网格划分，并根据工作台 具体结构特点进行局部细化 ，得到的单元数 5 9 8 1 5 0 个 ，节点数 1 1 3 9 1 6个 ，划分得 到的有 限元模 型如图 1 a 所示 。 选择液压机满载时的最危险工况进行分析。该液 压机的公称压力为 1 2 ． 5 MP a ，工作时上砧与工作台 的接触部 分尺寸为 1 2 3 0 m m 6 3 0 m m，减去上 表面 的顶出孑 L 及 “ T ”形槽部分尺寸，可得到工作台上表 面中心位置处 上砧与工作台接触部分 面积 为 S 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 0 9 作者简介 方 明刚 1 9 8 6 一 ，男 ，硕士研究生 ，研究方 向为机电控制 与 自动。电话 1 5 0 5 5 7 0 0 1 6 0 ，E ma i l 4 1 0 1 5 5 5 0 3 1 6 3． c o m。 1 0 机床与液压 第3 8 卷 2 2 7 1 8 0 8 ． 6 m m ，在该 区域施加 面载 荷 q 5 ． 5 0 2 N ／ m m 。在工作台内板的底面施加简支约束，同时由 于选取了工作台结构的 1 ／ 4 进行分析，故要施加对称 约束，载荷和约束如图所示。分析计算 ，得到的有限 元结果 ，如 图 I b 、1 C 所示 。整个工 作台的最大 应力为 1 2 0 ． 2 2 M P a ，最大位移为 0 ． 7 8 8 6 9 5 MP a 。 a 有限 元模 型及载 荷 约束 b 应力云 图 c 位 移 石 倒 图 1 有限元模型、载荷约束及有限元结果 2 工作台的轻量化及改进 2 ． 1 上板 轻量化 企业要求 在满足 整个 工作 台最 大应力 小 于等 于 1 5 0 M P a的条件下尽量优化改进，由以上分析可知， 工作台的应力值远低于设计值，因此必须对其进行轻 量化 ；同时企业要求优化方案应当尽量减小工作台与 下横梁上垫板配合工作的上板部分尺寸。对该尺寸采 用每次减薄 1 0 m m的方式进行逼近处理，当应力值 超过设计允许值之后 ，考虑尺寸圆整再在此基础上加 厚5 m m进行比较分析。对此尺寸值分别计算了厚度 为 3 4 0 m m、3 3 0 m m、3 2 0 m m、3 1 0 m m及 3 0 0 m m时 的有限元结果。发现尺寸为 3 0 0 m m时已经超过了设 计允许值，故又分析了3 0 5 m m时的结果，发现仍超 过设计要求 ，故而选择 3 1 0 m m作为该尺寸的轻量化 结果。各尺寸下的有限元计算结果 ，如表 1 所示。 表 1 上板不同厚度值的有限元计算结果 厚度值／ m m 3 4 0 3 3 0 3 2 0 3 1 0 3 0 0 3 0 5 应力／ M P a 1 2 0 ． 2 2 1 2 7 ． 4 9 5 1 3 6 ． 3 0 6 1 4 4 ． 9 9 3 1 5 4 ． 8 2 5 1 5 4 ． 7 8 5 位移／ m m 0 ． 7 8 8 6 9 5 0 ． 8 1 4 0 8 0 ． 8 6 6 6 0 8 0 ． 9 3 0 2 4 0 ． 9 9 0 7 9 1 0 ． 9 6 1 2 3 4 2 ． 2筋,-K位 置改进 在优化设计应用领域中，结构优化设计是其中应 用较为广泛的领域 ，其大致包括了尺寸优化 S i z i n g O p t i m i z a t i o n 、形状 优 化 S h a p e O p t i m i z a t i o n 和拓 扑优化 T o p o l o g y O p t i m i z a t i o n 。其 中，拓 扑优 化是 结构优化设计的最高层次，它是指将寻求结构的最优 拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分 布问题 ，以确保诸如整体刚度、自振频率等在满足工 程要求的条件下获得极大或极小值 。 以上已实现 了工作台上板厚度 3 0 m m的轻量 化 ，但此时工作台的整体应力仍有进一步优化的空 间，故考虑采用优化设计的方法对上工作台作进一 步的优化改进。由于工作台是焊接而成 ，工作 台内 外板之间为中空结构 ，其间布置加强筋 ，上板开设 的顶 出孔 也 是用 于 由 中心 棒 顶 出工 件 或 者废 料 所 用，故而整体工作台结构上没有多少改进的余地。 考虑采用拓扑优化的方法探究工作台内外板之间合 理的材料 分布 ，从而为 筋板位 置 的优化 改进提 供指 导和依据 。 2 ． 2 ． 1 定义拓扑优化问题 依据以上分析 ，将内外板中间全部填实，从而建 立了拓扑优化的工作台初始几何模型，定义单元类型 及材料属性 杨 氏模量和泊松比 。 2 ． 2 ． 2 定义优化单元 要进行拓扑优化，至少要定义两种单元类型，而 且必须有一种单元类型的单元编号为 1 。A N S Y S提供 的可用于拓扑优化的三维实体单元包括 S O L I D 9 2和 S O L I D 9 5 ，这 里 选 择具 有 二 次 方 位移 的 1 O节点 S O L I D 9 2单元类 型。 2 ． 2 ． 3 定义优化区域、施加载荷和约束 由于A N S Y S只对单元类型编号为 1的单元进行 拓扑优化 。利用这一特性将工作台下方原空槽部分 的单元类型编号定义为 1 ，将其作为优化区域，如图 2 a 所示 。 第6期 方明刚 等基于A N S Y S的液压机工作台的轻量化设计及改进 。l 1 2 ． 2 ． 4 定义优化参数并优化 定义基于 1 个静力载荷工况的拓扑优化函数 ，同 时以 A N S Y S提供的专 门用于预定义总体积 的 V O L - U M E函数作为约束函数，定义去除材料的百分 比作 为约束条件，分别定义去除材料 的百分 比为 3 0 ％、 5 0 ％、8 0 ％，以及按工作台原始尺寸去除材料的百分 比 9 2 ． 7 3 ％进行 分 析对 比。定义拓 扑 优化 函数 之后 ， 需要为优化计算过程选择合适的求解方法。A N S Y S 用户提供了两种优化算法，即选择优化准则法 O C 或序贯凸函数寻优法 S C P ，这里选择默认的适用 于以体积作为约束条件的问题的 O C法。定义收敛公 差为 0 ． 0 0 1 ，进行 6 次迭代。 2 ． 2 ． 5 优化结果及分析 a 优 化区域 示 意 图 b 单元伪 密度 图 c 拓扑优 化 结果 图2 筋板优化区域、单元伪密度图及拓扑优化结果 优化迭代完成后绘制得到拓扑优化单元伪密度 图、节点伪密度图，并利用单元表处理得到拓扑优化 结果 定义密度值在 0 ． 8～1 之间 ，以及拓扑 目标 函数和约束函数的迭代历程曲线等。图2 b 、2 C 为去材料百分 比为 5 0 ％时的单元伪密度图以及拓扑 优化结果 。 通过不同去除材料百分比计算结果的比较，发现 工作 台短边 中间部分 材料 在去 除材料 百分 比为 3 0 ％ 时即首先被去除；随着去除材料百分比的逐渐增大， 短边及长边上的 “ 空洞”也逐渐向边缘 “ 移动” ，长 短边交汇处材料最后去除，据此提出以下改进 1 将工作台长边上靠近短边的筋板向边缘移 动 4 0 m m； 2 将工作台短边上靠近长边的筋板向边缘移 动 5 0 m t n 。 对改进后模型进行分析计算，得到的应力、位移 云 图如 图 3 a 、3 b 所示 。 a 应力云图 b 位移 图 图 3 改进后有限元结果 改进后的最大应力值为 1 4 3 ． 7 7 6 M P a ，相对于改进 前的 l 4 4 ． 9 9 3 M P a 减小了 1 ． 2 1 7 M P a ，改进效果明显 。 2 ． 3 上板 结构优 化 由于工作台上板与下横梁上垫板配合工作部分结构 没有具体形状的要求，其上开设的顶出孔只是用于中心 棒顶出工件或者废料所用，故而可对该部分具体结构形 状作进一步优化改进。同样采用优化设计的方法对该部 l 2 机床与液压 第 3 8卷 分进行拓扑优化分析，探求其材料的合理分布。 采用 以上建立的拓扑优化原始模 型 ，定义单元类 型、材料属性，同样选择 S O L I D 9 2作为优化单元类 型，并选取上板与下横梁上垫板配合工作部分 3 0 m n q 厚度尺寸作 为优化 区域，如图 4 a 所示。选择 V O L U ME函数作为约束函数，分别定义去除材料的 百分比为 3 0 ％、5 0 ％ 、8 0 ％进行比较分析；采用 O C 算法 ，定义收敛公差为 0 ． 0 0 1 ，进行 1 2次迭代，得 到拓扑优化结果 密度值在 0 ． 8～1之间 。去除材 料百分 比为 5 0 ％时 拓扑优 化单元 伪密度 图及拓 扑优 化结果如图 4 b 、4 c 所示 。 f a 优 化区域 示意图 c l 拓 扑优化结果 图4 上板结构优化区域及去除材料5 0 ％ 的单元伪密度图及拓扑优化结果 通过不 同去除材料百分 比的比较 ，可以发现最先 去除优化 区域边缘位 置材料而保留中心部分材料 ，且 随着去除材 料 百分 比 的逐渐 增 加 ，形 成 的 “ 凹槽 ” 从边缘 向中心逐渐 “ 蔓延 ” 。参 照去除材料百分 比为 5 0 ％的优化结 果 ，采用较规则 的形状对优化结果进行 一 定的修正，得改进后结构，如图5 a 所示，并进 行有限元 分析计算，得 到的计算 结果如图 5 b 、 c 所示 。 a 上 板结 构改进 示 意图 f b 应 力 云图 f c 位 移 五 图 图 5 上板结构改进示意图及改进后有限元结果 结构改进后 的最大应力增 大了 4 ． 8 3 5 M P a ，达到 1 4 8 ． 6 1 1 M P a ，但仍小于 1 5 0 MP a的限制，因而满足 设计要求。 下转第 1 5页 第 6期 马兆敏 等基于双钻头的孔群加工路径优化算法 1 5 为 叼 Dd ／ D。这 样不 同钻孔 速度 下 双钻 头 的 工作效率如表 l 所示。 图 2 孔群加工路径 表 1 不同钻孔速度下双钻头加工效率 由表 1 得 ，在钻头不 同钻孔速度下 ，根 据针对 双 钻头的遗传算法优化得到的加工路径使用双钻头同时 进行孔群加工，其加工时间基本上接近单钻头最短加 工路径加工时间的 1 ／ 2 ，这较大幅度地提高了孔群加 工 的效率。 4结论 引入双钻头同时加工是提高孔群加工效率的有效 途径，分析双钻头孔群加工路径优化问题的目标函数 和约束条件后 ，修改针对单钻头孔群加工路径优化的 遗传算法得到用于双钻头的孑 L 群加工路径优化算法。 其中一条染色体同时表示两个钻头的加工路径，适应 度表示双钻头加工单个零件需要时间的长短。实验结 果表明新算法在钻头不同钻孑 L 速度下其加工时间基本 上接近单钻头最短加工路径对应加工时间的 1 ／ 2 ，这 较大幅度的提高了孔群J j tj - r 的效率。 参考文献 【 1 】肖人彬， 陶振武． 孔群加工路径规划问题 的进化求解 [ J ] ． 计算机集成制造系统， 2 0 0 5 ， 1 1 5 6 8 26 8 9 ． 【 2 】丁静， 尚欣， 周文玉． 钣金件冲孔路径优化研究 [ J ] ． 机 床与液压， 2 0 0 6 ， 3 4 3 1 1 21 1 4 ． 【 3 】曲晶， 肖世德， 熊鹰． 基于蚁群算法的 P C B孔加工路径 优化[ J ] ． 机电工程 ， 2 0 0 7 ， 2 4 1 2 5 6 5 8 ． 【 4 】 朱灯林， 陈俊伟， 俞洁， 等． 基于零件形心的数控火焰切 割路径的规划[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 6 ， 3 6 9 8 8 9 0． 【 5 】张礼兵 ， 吴婷， 雷声． 印制板钻孔加工走刀路径优化 [ J ] ． 工具技术， 2 0 0 6 ， 4 0 1 0 4 85 1 ． 【 6 】马兆敏 ， 黄玲， 胡波， 等． 带基准孔的孔群加工路径优化 算法[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 2 8 2 9 ， 3 2 ． 上接第 l 2页 2 ． 4 优化前后对比 轻量化和优化改进前后对比如表 2 所示。 表 2 轻量化和优化 改进前后对 比 质量／ k g 最大应／ M P a最大位 j ；／ m m 可以发现 ，优 化改 进前 后 ，工 作 台质量 明 显减 少 ，有效降低 了成本 ，达 到了企业提 出的设 计要 求 。 3 结论 对液压机工作台进行轻量化，并进一步进行拓扑 优化分析，优化结果表明对工作台结构以及下表面形 状及尺寸的改进对应力值的贡献较为明显 ，很好地实 现了减轻工作台质量的目的，并且优化了工作台的结 构。采用的设计方法及对工作台筋板及上板结构的改 进建议可为以后液压机工作台的设计工作提供指导和 借鉴 ，具有一定的实用价值。 参考文献 【 1 】 徐千理， 徐燕 申， 侯亮． C A D 、 C A E技术在大型液压机设 计分析 中的应用 [ J ] ． 计算机辅助设计 与制造， 2 0 0 1 4 5 35 5 ． 【 2 】 李成功． 锻压技术手册 上册 [ M] ． 北京 国防工业出 版社 ， 1 9 8 9 5 3 0 5 5 4 ． 【 3 】谢峰， 雷小宝， 沈维蕾 ， 等． 基于 A N S Y S 分析与正交试验 法的压力机机身轻量化设计[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 8 ， 2 0 2 2 6 0 5 46 0 5 7 ． 【 4 】徐灏． 机械设计手册 第 4 卷 [ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 1 9 9 1 1 7 31 9 4 ． 【 5 】 冯桢， 于涛， 曾齐福． 拓扑优化方法在产品设计中的应用 探索[ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 7 3 1 3 8 1 3 9 ． 【 6 】 博弈创作室． A N S Y S 9 ． 0 经典产品高级分析技术与实例 详解[ M] ． 北京 中国水利水电出版社， 2 0 0 5 1 6 6 2 1 7 ． 【 7 】 吴琼， 戚作秋 ， 朱成实． 注射机模板形状的拓扑优化设计 [ J ] ． 机械工程师 ， 2 0 0 5 1 3 9 4 0 ．